DE102011121485A1

DE102011121485A1 - Verbindungselement zum Verbinden von Polen von Batteriezellen einer Batterie und Batterie

Info

Publication number: DE102011121485A1
Application number: DE102011121485A
Authority: DE
Inventors: Michael Hinterberger; Jörg Schmidt; Thomas Pauleser
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement (28) zum elektrischen Verbinden von einem ersten, aus einem ersten Material gebildeten elektrischen Pol (20) einer Batteriezelle (14) einer Batterie (10) mit einem zweiten, aus einem zweiten Material gebildeten elektrischen Pol (22) einer weiteren Batteriezelle (16) der Batterie (10). Das Verbindungselement (28) weist Kontaktstellen auf, über welche ein Grundkörper des Verbindungselements (28) mit den Polen (20, 22) der beiden Batteriezellen (14, 16) koppelbar ist. Dabei ist der Grundkörper des Verbindungselements (28) zumindest im Bereich der zum Koppeln mit dem ersten Pol (20) ausgebildeten Kontaktstelle aus dem ersten Material und zumindest im Bereich der zum Koppeln mit dem zweiten Pol (22) ausgebildeten Kontaktstelle aus dem zweiten Material gebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie (10) mit einem solchen Verbindungselement (28).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum elektrischen Verbinden von einem ersten elektrischen Pol einer Batteriezelle einer Batterie mit einem zweiten elektrischen Pol einer weiteren Batteriezelle der Batterie. Das Verbindungselement weist Kontaktstellen auf, über welche ein Grundkörper des Verbindungselements mit den Polen der beiden Batteriezellen koppelbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie mit wenigstens zwei Batteriezellen und mit wenigstens einem solchen Verbindungselement.
In Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge werden Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, in Reihe geschaltet, um eine entsprechend hohe Gesamtspannung zu erzielen, welche zum Bereitstellen einer vergleichsweise großen Leistung für ein elektrisches Antriebsaggregat des Fahrzeugs erforderlich ist. Bei Batteriezellen, welche in solchen Traktionsbatterien oder Fahrzeugbatterien zum Einsatz kommen, bestehen die elektrischen Pole aus unterschiedlichen Materialien. Der positive elektrische Pol, also die Kathode der jeweiligen Batteriezelle, besteht üblicherweise aus Aluminium, und die Anode, also der negative elektrische Pol der Batteriezelle, üblicherweise aus Kupfer.
Aus dem Stand der Technik ist es hierbei bekannt, bei einer Reihenschaltung der Batteriezellen die Kathode der ersten Batteriezelle mit der Anode der zweiten Batteriezelle über ein Verbindungselement miteinander zu verbinden, welches auch als Stromschiene oder ”Busbar” bezeichnet wird. Um hierbei Korrosionsprobleme einzudämmen, ist es des Weiteren bekannt die Stromschiene mit einer dünnen Legierung zu versehen.
Das Aufbringen einer solchen Legierung auf die Stromschiene ist jedoch teuer, und die dünne Legierung kann beim Verschrauben der Stromschiene mit den elektrischen Polen der Batteriezellen leicht verletzt werden. Zudem ist beobachtet worden, dass es trotz des Vorsehens einer mit einer Legierung versehenen Stromschiene zu einer unerwünschten Kontaktkorrosion im Bereich von Kontaktstellen kommt, an welchen die Stromschiene die elektrischen Pole der Batteriezellen berührt.
Die DE 10 2006 054 309 A1 beschreibt eine Batteriezelle, bei welcher als Schienen ausgebildete Kontaktelemente eine Vielzahl von Elektroden der Batteriezelle kontaktieren. Hierbei können die zum anodischen Teil der Batteriezelle gehörenden Kontaktelemente aus Kupfer und die zum kathodischen Teil der Batteriezelle gehörenden Kontaktelemente aus Aluminium gebildet sein.
Des Weiteren beschreibt die DE 10 2008 047 740 A1 einen Akkumulator für ein Kraftfahrzeug, wobei ein Anschlussstutzen des Akkumulators aus Kupfer gebildet ist. Dieser Anschlussstutzen ist elektrisch mit einem weiteren Anschlussteil gekoppelt, welches zur Gewichtsreduzierung aus einem Aluminium gebildet ist. Über das Anschlussteil kann ein weiterer Akkumulator mit dem ersten Akkumulator gekoppelt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungselement der eingangs genannten Art sowie eine Batterie mit einem solchen Verbindungselement zu schaffen, welches bzw. welche ein Kontaktieren der Pole mit einem besonders geringen Übergangswiderstand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei den erfindungsgemäßen Verbindungselement ist der Grundkörper zumindest im Bereich der zum Koppeln mit dem ersten Pol ausgebildeten Kontaktstelle aus einem ersten Material und zumindest im Bereich der zum Koppeln mit dem zweiten Pol ausgebildeten Kontaktstelle aus einem zweiten Material gebildet, welches von dem ersten Material verschieden ist. Es können so an den Kontaktstellen übereinstimmende Materialpaarungen zwischen dem Verbindungselement und den zu kontaktierenden Polen realisiert werden.
Wenn nämlich der Grundkörper im Bereich der zum Koppeln mit dem ersten Pol ausgebildeten Kontaktstelle aus dem gleichen Material gebildet ist wie der erste Pol, so ergibt sich an der Kontaktstelle keine Kontaktkorrosion aufgrund unterschiedlicher Materialpaarungen. Ebenso ergibt sich an der zum Koppeln mit dem zweiten Pol ausgebildeten Kontaktstelle, in deren Bereich der Grundkörper aus dem zweiten Material gebildet ist, eine übereinstimmende Materialpaarung, wenn der zweite Pol der weiteren Batteriezelle aus diesem zweiten Material gebildet ist. Da so erreichbar ist, dass an den elektrischen Kontaktstellen keine unterschiedlichen Materialpaaren vorliegen, lässt sich eine Kontaktierung der Pole mit einem besonders geringem Übergangswiderstand realisieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in einem Übergangsbereich, in welchem das erste Material mit dem zweiten Material des Grundkörpers in Kontakt ist, die beiden Materialien stoffschlüssig miteinander verbunden. Dann erfolgt nämlich ein Materialwechsel nicht zwischen der Kontaktstelle und dem jeweiligen Pol, sondern im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung innerhalb des Verbindungselements, nämlich in dessen Übergangsbereich. Hier treten aufgrund der innigen Verbindung der beiden Materialien nicht die Probleme der Kontaktkorrosion auf, welche bei ungleichen Materialpaarungen an elektrischen Kontaktstellen des Verbindungselements auftreten können. Zudem weist das Verbindungselement durch die stoffschlüssige Verbindung der beiden Materialien gute mechanische Eigenschaften auf, es ist also auch im Übergangsbereich hoch belastbar.
Eine besonders geringe Bauhöhe des Verbindungselements sowie eine Schweißnaht besonders geringer Höhe lässt sich erreichen, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in dem Übergangsbereich ein aus dem ersten Material gebildeter Teilbereich des Grundkörpers stirnseitig mit einem aus dem zweiten Material gebildeten Teilbereich des Grundkörpers verbunden ist.
Für die Verbindung der beiden Materialien kann insbesondere ein Festphasenfügeprozess zum Einsatz kommen, etwa Walzplattieren oder Diffusionsschweißen oder Reibschweißen. Insbesondere das Walzplattieren kann zum Einsatz kommen, wenn in dem Übergangsbereich das erste Material mit dem zweiten Material des Grundkörpers ein Stück weit überlappt.
Des Weiteren lässt sich – beispielsweise durch Rührreibschweißen – auf besonders einfache Art und Weise die stirnseitige Verbindung der beiden Teilbereiche des Grundkörpers miteinander realisieren. Die beispielhaft genannten Festphasenfügeprozesse erzeugen im Gegensatz zu Schmelzschweißverfahren keine oder allenfalls geringe intermetallische Phasen, sodass ein besonders geringer Übergangswiderstand im Übergangsbereich erreicht wird.
Bevorzugt ist der Grundkörper im Bereich der zum Koppeln mit dem ersten Pol ausgebildeten Kontaktstelle aus Aluminum und im Bereich der zum Koppeln mit dem zweiten Pol ausgebildeten Kontaktstelle aus Kupfer gebildet. So ergeben sich beim Kontaktieren der bei einer Lithium-Ionen-Batteriezelle aus Aluminium bestehenden Kathode als erstem elektrischen Pol und der aus Kupfer bestehenden Anode als zweitem elektrischen Pol gleiche Materialpaarungen an den jeweiligen Kontaktstellen.
Die erfindungsgemäße Batterie umfasst wenigstens zwei Batteriezellen und wenigstens ein erfindungsgemäßes Verbindungselement. Die wenigstens zwei Batteriezellen weisen jeweils einen ersten, aus einem ersten Material gebildeten elektrischen Pol auf und jeweils einen zweiten, aus einem zweiten Material gebildeten elektrischen Pol. Hierbei ist das zweite Material von dem ersten Material verschieden. Der Grundkörper des Verbindungselements ist über die Kontaktstellen mit den Polen der wenigstens zwei Batteriezellen gekoppelt. Hierbei ist der Grundkörper des Verbindungselements zumindest im Bereich der zum Koppeln mit dem ersten Pol ausgebildeten Kontaktstelle aus dem ersten Material und zumindest im Bereich der zum Koppeln mit dem zweiten Pol ausgebildeten Kontaktstelle aus dem zweiten Material gebildet. Dadurch ergeben sich an den Kontaktstellen jeweils gleichartige Materialpaarungen, sodass beim Kontaktieren der Pole mittels des Verbindungselements besonders geringe Übergangswiderstände vorliegen.
Eine bauliche besonders einfache Form des Verbindungselements lässt sich realisieren, wenn mittels desselben die wenigstens zwei Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dann können nämlich der erste Pol der ersten Batteriezelle und der zweite Pol der zweiten Batteriezelle nebeneinander angeordnet werden, und über das wenigstens eine Verbindungselement ist eine Verbindung dieser beiden Pole auf besonders kurzem Wege erreichbar.
In der Batterie können die wenigstens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen mittels des wenigstens einen Verbindungselements mit jeweils zumindest einer weiteren Batteriezelle elektrisch parallel geschaltet sein. Dadurch kann die Batterie eine höhere Stromstärke bereitstellen als bei einer reinen Serienschaltung der einzelnen Batteriezellen.
Die für das erfindungsgemäße Verbindungselement beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Batterie und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 schematisch in einer Seitenansicht eine Batteriezelle einer Fahrzeugbatterie, welche mit weiteren Batteriezellen der Fahrzeugbatterie über Stromschienen elektrisch gekoppelt ist;
2 schematisch und in einer Draufsicht einen Ausschnitt aus der Batterie gemäß 1, wobei die Kathoden zweier Batteriezellen mit den Anoden zweier weiterer Batteriezellen über eine aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildete Stromschiene gekoppelt sind; und
3 eine Stromschiene gemäß 2 in einer Draufsicht,
Eine in 1 und 2 schematisch gezeigte Batterie 10 ist beispielsweise als Traktionsbatterie für ein Fahrzeug ausgebildet. Die Batterie umfasst eine Mehrzahl von prismatischen Batteriezellen 12, 14, 16, 18, von denen in 2 beispielsweise und schematisch vier Stück gezeigt sind. Jede der Batteriezellen 12, 14, 16, 18, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein können, umfasst einen ersten, elektrisch positiven Pol 20, welcher die Kathode der jeweiligen Batteriezelle 12, 14, 16, 18 bildet, und einen negativen elektrischen Pol 22, welcher die Annode der jeweiligen Batteriezelle 12, 14, 16, 18 bildet. Die Batteriezellen 12, 14, 16, 18 können in der Batterie 10 stehend und in einem Stapel auf einer Kühlplatte 29 angeordnet sein (vgl. 1).
Jeder der beiden Pole 20, 22, welcher auch als Terminal bezeichnet wird, umfasst einen Kontaktstift 24, welcher von einem quaderförmigen Sockel 26 nach oben absteht (vgl. 1). Der elektrisch positive Pol 20, also die Kathode, ist bei jeweiligen Batteriezellen 12, 14, 16, 18 aus Aluminium gebildet. Demgegenüber ist der elektrisch negative Pol 22, also die Annode, aus Kupfer gebildet.
Die ungleichnamigen Pole 20, 22 von benachbarten Batteriezellen 14, 16 sind mittels einer Stromschiene 28 elektrisch in Reihe geschaltet (vgl. 2), um eine entsprechend hohe Spannung der Batterie 10 zu erzielen, Vorliegend ist diese Stromschiene 28 als Hybrid-Stromschiene ausgebildet, welche aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet ist.
Entsprechend ist ein erster Teilbereich 30, welcher den negativen elektrischen Pol 22 der Batteriezelle 16 kontaktiert, ebenso wie dieser elektrische Pol 22 aus Kupfer gebildet. Demgegenüber ist ein weiterer Teilbereich 32 der Stromschiene 28, welche den elektrisch positiven Pol 20 der Batteriezelle 14 kontaktiert, aus Aluminium gebildet, also aus demselben Material wie der elektrische positive Pol 20 selber.
So ist dafür gesorgt, dass im Bereich von Kontaktstellen, in welchen ein Grundkörper der Stromschiene 28 die jeweiligen Pole 20, 22 kontaktiert, keine unterschiedlichen Materialpaarungen vorliegen. Dadurch ist eine Kontaktkorrosion am Kontakt des jeweiligen Teilbereichs 30, 32 mit den elektrischen Polen 20, 22 verhindert. Dies führt zu besonders geringen Übergangswiderständen an diesen Kontaktstellen.
Insbesondere aus der Draufsicht auf die Stromschiene 28 in 3 geht besonders gut hervor, dass die Kontaktstellen, an welchen der Grundkörper der Stromschiene 28 die jeweiligen elektrischen Pole 20, 22 der Batterie 10 kontaktiert, als Durchtrittsöffnungen 34 ausgebildet sind, welche zum Umschließen des jeweiligen Kontaktstifts 24 ausgebildet sind.
Ebenso ist aus 3 besonders gut ersichtlich, dass in einem Übergangsbereich 36, in welchem der aus Aluminium gebildete Teilbereich 32 an den aus Kupfer gebildeten Teilbereich 30 angrenzt, die beiden Teilbereiche 30, 32 stirnseitig miteinander verbunden sind. Eine solche stirnseitige Verbindung kann beispielsweise durch Reibschweißen, insbesondere durch Rührreibschweißen, hergestellt werden. Durch einen solchen Festphasenfügeprozess werden im Gegensatz zu einem Schmelzschweißverfahren keine oder nur geringe intermetallische Phasen erzeugt. Zudem weist die Stromschiene 28, bei welcher die beiden Teilbereiche 30, 32 durch solch einen Festphasenfügeprozess miteinander verbunden sind, sehr gute mechanische Eigenschaften auf.
Dadurch, dass der Materialwechsel innerhalb des Übergangsbereichs 36 erfolgt, in welchem die Schweißverbindung realisiert ist, ist das Problem einer Kontaktkorrosion innerhalb der Stromschiene 28 unterbunden. Dies ist der Fall, obwohl in diesem Übergangsbereich 36 eine Paarung von zwei unterschiedlichen Werkstoffen auftritt.
Wie aus 2 und 3 ersichtlich ist, sind durch die Stromschiene 28 nicht nur die beiden benachbarten Batteriezellen 14, 16 elektrisch in Reihe geschaltet. Vielmehr sind durch dieselbe Stromschiene 28 auch die beiden Batteriezellen 12, 14 und die beiden Batteriezellen 16, 18 elektrisch parallel geschaltet.
In alternativen Ausführungsformen kann eine solche, auf die jeweiligen Materialien der beiden elektrischen Pole 20, 22 abgestimmte Stromschiene auch lediglich zum seriellen Verbinden von jeweils zwei Batteriezellen ausgebildet sein. Auch können durch eine solche, aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehende Stromschiene mehr als die vorliegend beispielhaft gezeigten zwei Batteriezellen elektrisch parallel geschaltet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006054309 A1 [0005]
DE 102008047740 A1 [0006]

Claims

Verbindungselement zum elektrischen Verbinden von einem ersten, aus einem ersten Material gebildeten elektrischen Pol (20) einer Batteriezelle (14) einer Batterie (10) mit einem zweiten, aus einem zweiten und von dem ersten Material verschiedenen Material gebildeten elektrischen Pol (22) einer weiteren Batteriezelle (16) der Batterie (10), wobei das Verbindungselement (28) Kontaktstellen (34) aufweist, über welche ein Grundkörper des Verbindungselements (28) mit den Polen (20, 22) der beiden Batteriezellen (14, 16) koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper des Verbindungselements (28) zumindest im Bereich der zum Koppeln mit dem ersten Pol (20) ausgebildeten Kontaktstelle (34) aus dem ersten Material und zumindest im Bereich der zum Koppeln mit dem zweiten Pol (22) ausgebildeten Kontaktstelle (34) aus dem zweiten Material gebildet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich (36), in welchem das erste Material mit dem zweiten Material des Grundkörpers in Kontakt ist, die beiden Materialien stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Verbindungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Übergangsbereich (36) ein aus dem ersten Material gebildeter Teilbereich (30) des Grundkörpers stirnseitig mit einem aus dem zweiten Material gebildeten Teilbereich (32) des Grundkörpers verbunden ist.
Verbindungselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Materialien durch – Walzplattieren oder – Diffusionsschweißen oder – Reibschweißen, insbesondere Rührreibschweißen, miteinander verbunden sind.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper im Bereich der zum Koppeln mit dem ersten Pol (20) ausgebildeten Kontaktstelle (34) aus Aluminium und im Bereich der zum Koppeln mit dem zweiten Pol (22) ausgebildeten Kontaktstelle (34) aus Kupfer gebildet ist.
Batterie mit wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14, 16, 18) und mit wenigstens einem Verbindungselement (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14, 16, 18) jeweils einen ersten, aus einem erstere Material gebildeten elektrischen Pol (20) und jeweils einen zweiten, aus einem zweiten und von dem ersten Material verschiedenen Material gebildeten elektrischen Pol (22) aufweisen, wobei der Grundkörper des Verbindungselements (28) über die Kontaktstellen (34) mit den Polen (20, 22) der wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14, 16, 18) gekoppelt ist, und wobei der Grundkörper des Verbindungselements zumindest im Bereich der zum Koppeln mit dem ersten Pol (20) ausgebildeten Kontaktstelle (34) aus dem ersten Material und zumindest im Bereich der zum Koppeln mit dem zweiten Pol (22) ausgebildeten Kontaktstelle (34) aus dem zweiten Material gebildet ist.
Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Batteriezellen (14, 16) mittels des wenigstens einen Verbindungselements (28) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen (14, 16) mittels des wenigstens einen Verbindungselements (28) mit jeweils zumindest einer weiteren Batteriezelle (12, 18) elektrisch parallel geschaltet sind.